Processos em Engenharia:
Sistemas Térmicos
Prof. Daniel Coutinho
[email protected]
Departamento de Automação e Sistemas – DAS
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
DAS 5101 - Aula 8 – p.1/53
Sumário
• Introdução
• Transferência de Calor:
• Condução
• Convecção
• Radiação
• Dispositivos para transmissão de calor
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Introdução - I
• Calor é a forma de energia na qual um sistema troca energia
com o meio ambiente, ou com outro sistema, em virtude da
diferença de temperatura.
• Desta forma, a temperatura é a variável que permite medir a
capacidade de um corpo transferir energia calórica.
• Nas aulas introdutórias da disciplina, verificou-se que para
produzir trabalho útil é geralmente necessário transformar
uma forma de energia em outra forma que seja mais
facilmente utilizável.
• Um caso típico é a geração de energia elétrica a partir da
queima de combustível (termelétrica).
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Introdução - II
• Por outro lado, em diversos processos, a própria energia
térmica é utilizada para produzir trabalho útil.
• Por exemplo, nos processos industriais onde reagentes
devem ser aquecidos (resfriados) a uma certa temperatura
para maximizar o rendimento de uma reação química.
• Ressalta-se o papel da energia térmica nos processo de
separação de líquidos, onde se aproveita da diferença de
volatilidades dos componentes individuais (coluna de
distilação).
• A energia térmica é geralmente obtida a partir da queima de
de fontes não-renováveis.
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Transferência de Calor - I
• Transferência de calor é a ciência que trata das velocidades
de intercâmbio de calor entre corpos, quente e frio,
chamados fonte e receptor.
• Termodinâmica é a ciência que trata das transições e
re-arranjos energéticos em corpos de interesse (como
calor).
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Transferência de Calor - II
• Apesar das quantidades de calor envolvidas num processo
de vaporização de uma certa massa líquida e no inverso, a
condensação da mesma massa de vapor do mesmo líquido,
em idênticas condições de pressão, é bem mais difícil e
demorado que o de vaporização.
• Em processos industriais projetados para viabilizar a troca
térmica entre fonte e receptor, busca-se na ciência de
transferência de calor obter as informações necessárias
relativas às velocidades esperadas na troca de calor.
• Existem três mecanismos básicos de transferência de calor:
condução, convecção e radiação.
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Condução - I
• Condução
• é a transferência de calor através de matéria fixa tal como a
parede estacionária na figura
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Condução - II
• A taxa de transferência de calor por condução é expressa
matematicamente pela equação de Laplace:
∂2T
∂2T
∂ 2T
1 ∂T
+
+ 2 =
2
2
∂x
∂y
∂z
α ∂t
onde α é a difusão térmica e x, y, z são as coordenadas no
plano Cartesiano.
• Em regime permanente a equação acima fica na forma:
∂ 2T
∂ 2T
∂ 2T
+
+ 2 =0
2
2
∂x
∂y
∂z
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Condução - III
• Para uma condução unidimensional (na coordenada x), a
quantidade de fluxo de calor (por condução) é dada pela
equação de Fourier:
dT
dQ = −kA
dx
onde k é a condutividade térmica, A é área normal em
relação a xe −dT /dx é conhecido como gradiente térmico.
• Integrando com relação a xleva a seguinte taxa de
transferência de calor:
A
Q=−
L
Z
T2
kdT
T1
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Condução - IV
• Em regime permanente, a temperatura é constante em
relação ao tempo e não existe acumulo de energia.
• Se a condutividade térmica é constante em relação a
temperatura T , então a taxa de transferência de calor é dada
por:
A
Q=
T1 − T2
L
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Convecção - I
• Convecção é a transferência de calor entre porções relativamente
quentes e frias de um fluido, por mistura.
• A transferência de calor por convecção é caracterizada pela Lei
de Newton de resfriamento
dQ = hc Adt ⇒ Q = hA∆T
onde hc é o coeficiente de transferência de calor (convecção).
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Convecção - II
• A convecção geralmente está associada com a transferência
de calor entre uma massa de líquido sobre uma parede fixa.
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Radiação
• Radiação é a transferência de energia radiante de uma
fonte a um receptor.
• Quando radiação é transferida de uma fonte a um receptor
parte da energia é absorvida pelo receptor e parte é refletida.
• Com base na segunda lei da termodinâmica, a velocidade à
qual uma fonte libera calor por radiação é dada por (Lei de
Stefan-Boltzmann):
4
4
4
4
dQ = σε T1 − T2 dA ⇒ Q = σεA T1 − T2
onde σ = 5.66710−8 [W/m2 K 4 ] (constante de de
Stefan-Boltzmann) e ε é a emissividade.
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Transferência de Calor - III
• A disciplina Processos de Transferência de Calor estuda as
velocidades de troca de calor, tal como elas ocorrem nos
equipamentos de transferência de calor.
• Esta abordagem permite focalizar a importância da
diferença de temperatura entre fonte e receptor, que é a
força motora pela qual a transferência de calor é realizada.
• Um problema típico dos processos de transferência de
calor, relaciona-se: (i) as quantidades de calor a serem
transferidas; (ii) as velocidades de transferência dessas
quantidades de calor; (iii) o potencial necessário; e (iv) a
área e a forma da superfície de separação entre fonte e
receptor.
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Exemplo: transferência de calor
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Dispositivos para Transmissão de Calor - I
• Existe uma grande variedade de dispositivos de transmissão
de calor, desde o aquecedor elétrico de um chuveiro até as
gigantescas caldeiras das centrais térmicas.
• A seguir, apresentam-se brevemente alguns equipamentos
utilizados na transmissão de calor na indústria de processos.
• Fatores importantes na classificação desses equipamentos:
a) a forma de transmissão do calor
b) a função
c) a tamanho
d) a faixa de operação
e) a fases (estados) presentes, etc.
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Dispositivos para Transmissão de Calor - II
• Classificação pela função do dispositivo:
(i) Dispositivos de produção de vapor de água a elevada
pressão e temperatura para efeitos de aquecimento em
outros processos ou produção de força motriz: Caldeiras.
(ii) Dispositivos de troca de calor sem mudança de fase:
Trocadores de calor, que podem ser: líquido/líquido;
líquido/gás e gás/gás.
(iii) Dispositivos de troca de fase: Condensadores e
Evaporadores (fundamentalmente usados para a
concentração de soluções).
(iv) Dispositivos de resfriamento (torres de resfriamento).
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Caldeiras - I
• Os dispositivos de produção de vapor são habitualmente denominados
caldeiras.
• As caldeiras operam em condições de elevadas temperaturas e pressões,
portanto devem ser cuidadosamente projetadas para atender às
especificações de funcionamento.
• Durante a revolução industrial, onde as máquinas e meios de transporte
(trens e embarcações) funcionavam impulsionadas por vapor produzido
por caldeiras, o desenho das caldeiras era artesanal e empírico, e
freqüentemente era motivo de acidentes graves.
• Com o avanço da tecnologia, existiu uma grande evolução em relação
as propriedades dos materiais e de sua resistência a esforços de pressão
e temperatura.
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Caldeiras - II
• Classificações:
a) uso: força ou aquecimento,
b) estacionarias (fixas) ou móveis (caldeiras marinhas ou locomotivas);
c) pressão de trabalho: baixa pressão (< 1 kg/cm2, para calefação) ou
alta pressão (até 350 kg/cm2, para geração de força)
d) materiais de que são construídas (aço, ferro fundido, etc.)
e) tamanho
f) conteúdo dos tubos: aquotubulares (quando a água circula pelos
tubos) ou de ”tubos de fumaça” (quando é o ar quente que circula pelos
tubos);
g) sistema de aquecimento;
h) sistema de circulação;
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Vapor d’água - I
• O objetivo da caldeira consiste na transformação de água
em vapor, pela absorção de calor obtido (em geral) pela
queima de combustível.
• Quando o calor é fornecido a uma certa massa de água à
pressão constante, observa-se o aumento da temperatura da
água líquida até que se inicie o processo de vaporização.
• A partir deste ponto, não é observada mudança de
temperatura até que a vaporização se complete, quando,
então, qualquer transferência de calor adicional implicará
no superaquecimento do vapor.
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Vapor d’água - II
• Processo de vaporização da água na pressão atmosférica:
• Trecho 0 – 1 (0o C e 100o C): tem-se a água no estado de
líquido sub resfriado. O calor fornecido é denominado calor
sensível, pois é utilizado somente no aquecimento da água.
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Vapor d’água - III
• No ponto 1, a água está na temperatura de saturação (100o C
a 1 atm) – líquido saturado.
• A quantidade de calor necessária à vaporização total da
água se denomina calor latente de vaporização. Na pressão
de 1 atm, 1 kg de água requer 539 kcal para se transformar
em vapor.
• Trecho 1 – 2: a água está parcialmente vaporizada, ou seja,
trata-se de uma mistura de líquido + vapor saturados.
• No ponto 2, toda a água se transformou em vapor,
constituindo o vapor saturado seco, ou seja, sem a presença
de gotículas de líquido.
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Vapor d’água - IV
• Acima do ponto 2, o calor adicional fornecido é usado no
aumento da temperatura (calor sensível), constituindo o
vapor superaquecido.
• A diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura de
saturação (ou vaporização), na mesma pressão, é
denominada de grau de superaquecimento (GSA) do vapor.
• Quando a água começa a vaporizar, o volume aumenta
muito devido à formação do vapor d’água.
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Vapor d’água - V
• Evolução do volume da água à medida que a temperatura é
aumentada, partindo do estado sólido (ponto A):
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Vapor d’água - VI
• Pressão e Temperatura de Saturação:
• Vaporização em pressões mais elevadas
• A pressão na qual a água se vaporiza é denominada pressão
de saturação, enquanto que a temperatura de vaporização é
chamada de temperatura de saturação.
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Caldeiras - III
• Classificação de caldeiras quanto a pressão de operação:
1. Baixa pressão (6 a 16 kgf/cm2 )
2. Média pressão (22 a 39 kgf/cm2 )
3. Alta pressão (60 kgf/cm2 )
• Classificação quanto a montagem:
1. Compactas (é embarcada pelo fornecedor
completamente montada com: queimadores,
ventiladores, controles e acessórios).
2. Montadas parcialmente no local
3. Montadas totalmente no local
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Caldeiras Compactas - I
• A fonte primaria de energia era carvão ou madeira,
queimando na parte inferior do equipamento, para produzir
calor que, por mecanismos de radiação (principalmente na
região da queima) e convecção, era transmitido à água que
seria evaporada.
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Caldeiras Compactas - II
• Caldeiras verticais: tubos de fumaça
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Caldeiras Flamotubulares - I
• Estas caldeiras caracterizam-se pela passagem dos gases
quentes por dentro de tubos, geralmente em três passes
antes de saírem para a chaminé.
• Todo este conjunto de tubos, por onde passam os gases está
imerso na água a ser vaporizada.
• São empregadas para baixas pressões (até 10 kg/cm2 ),
baixas capacidades (até 15 t/ h) e onde possa ser utilizado
vapor saturado (título normal 80/90 % ).
• São os equipamentos mais baratos, compactos e que
requerem menos cuidados de operação e manutenção.
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Caldeiras Flamotubulares - II
• Exemplos e formas construtivas:
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Caldeiras Flamotubulares - III
• Exemplos de uma caldeira completa:
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Caldeiras Aquotubulares - I
• Estas caldeiras caracterizam-se pela combustão em uma
câmara denominada fornalha, enquanto a água a ser
vaporizada circula no interior de tubos que cobrem as
paredes da fornalha.
• Nos modernos projetos industriais, são usados, quase
completamente, caldeiras tipo tubo de água, dando ensejo,
a que se produzam grandes quantidades de vapor e elevadas
pressões e temperaturas.
• A produção de vapor, nestes tipos de caldeiras atinge até
750 toneladas vapor/hora com pressões que já ultrapassam
200 kg/cm2 .
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Caldeiras Aquotubulares - II
• Essas caldeiras operam a partir do princípio natural de
circulação d’água.
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Caldeiras Aquotubulares - III
• Estruturas construtivas:
a) longitudinal
b) cruzado
c) tubo de Bent
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Trocadores de Calor - I
• Trocadores de calor são equipamentos onde fonte e receptor participam
do processo de transferência de calor através de uma superfície de
separação, sem que haja mudança de estado de nenhum deles.
• Eles podem ser classificados baseados em:
a) confinamento, ou não, de ambos os fluídos intervenientes;
b) circulação por convecção natural ou forçada para àqueles em que um
dos fluidos não é confinado;
c) circulação em correntes paralelas, cruzadas, em contracorrente, ou,
ainda, combinações destas para dispositivos de mais de uma passada,
quando ambos os fluídos são confinados;
d) forma e dimensão dos tubos nos trocadores de calor de carcassa
(camisa) e tubos;
e) número de passadas dos fluídos de camisa e tubos (número de vezes
que cada um dos fluídos percorre o comprimento do trocador;
f) tipo de fluídos envolvidos (não-corrosivos, corrosivos,...), etc.
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Trocadores de Calor - II
• Trocador de camisa e tubos, em contracorrente, de uma passada nos
tubos e uma na camisa, com ”baffles” para favorecer a troca térmica,
com junta de expansão toroidal e cabeçotes flutuantes para acomodar
diferenças nos coeficientes de dilatação térmica dos distintos materiais
componentes do equipamento.
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Trocadores de Calor - III
• Arranjos de fluxo:
a) Paralelo: os dois fluídos entram no trocador no mesmo ponto e
circulam em paralelo.
b) Contra-corrente: os fluídos trafegam em fluxos perpendiculares.
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Trocadores de Calor - IV
• Trocador tubular: consiste de uma série de tubos. Um conjunto desses
tubos contém o líquido a ser aquecido (ou resfriado). O segundo
conjunto de tubos contém o líquido que circula através do primeiro
conjunto de tubos.
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Trocadores de Calor - V
• Exemplos de tubos utilizados em trocadores tubulares:
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Trocadores de Calor - VI
• Trocador do tipo placa: consiste de múltiplas (finas e ligeiramente
separadas) placas que possuem um grande área por onde passam os
líquidos para transferência de calor.
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Condensadores e Evaporadores - I
• São trocadores de calor modificados para lidar com o fato
de haver mudança de fase nos fluídos intervenientes.
• Ressalta-se que diferenças importantes de desenho são
introduzidas nos evaporadores onde o efeito desejado é o de
concentrar soluções.
• Nestes casos os desenhos prestam especial atenção à
necessária separação dos vapores da solução concentrada
resultante.
• Na próxima figura, apresenta-se um refervedor de tipo
marmita, normalmente associado às colunas de destilação.
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Condensadores e Evaporadores - II
• Objetivo: evaporar a mistura líquida a ser separada. Para tal, usa-se
vapor de água produzido por uma caldeira ingressando no dispositivo
pela entrada superior a esquerda, circulando pelos tubos em duas
passadas e saindo, condensado, pela parte inferior esquerda.
• A alimentação da mistura a ser evaporada ingressa pela entrada inferior
ao centro, sendo que o vapor produzido sai pela parte superior e o
liquido em excesso sai pela parte inferior direita.
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Condensadores e Evaporadores - III
• Exemplo 2: evaporadores cuja missão é a de concentrar soluções
evaporando o dissolvente. Observar que a fonte de calor em ambos os
casos é vapor de água, circulando por fora dos tubos e cedendo calor
latente até condensar completamente, enquanto a solução a ser
concentrada ferve dentro dos tubos.
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Torres de resfriamento - I
• Quando um dado fluído, geralmente água de resfriamento
(foi usada para resfriar e aqueceu), deve ser restituído à
natureza, é aconselhável, por motivos ecológicos, que sua
temperatura seja próxima da do sistema receptor.
• Para tal, utilizam-se torres de resfriamento onde o fluido
pulverizado em fina chuva é esfriado por contato com
corrente de ar ascendente (convecção devida ao gradiente
térmico) a grande velocidade.
• Defletores são utilizados nas torres de resfriamento para
orientar a corrente de ar ascendente e para reduzir ainda
mais o tamanho das gotas de água descendente.
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Torres de resfriamento - II
• Torre de resfriamento e detalhe dos defletores
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Medição de temperatura - I
• A temperatura é uma grandeza fundamental em processos
térmicos.
• Existem vários métodos e instrumentos disponíveis para
medição de temperatura.
• Os mais importantes são aqueles capacitados para a
transmissão remota sem perda apreciável no transporte e,
consequentemente com maior exatidão.
1. termopares
2. termômetros de resistência
3. termístores
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Medição de temperatura - II
• Referências de temperatura mais utilizadas:
• 0o C – ponto de fusão da d’água
• 100o C – ponto de ebulição d’água
• −273, 16o C – zero absoluto
• Elementos primários de medição:
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Termopares - I
• O termopar é o elemento primário mais utilizado na
medição de temperatura em ambientes industriais.
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Termopares - II
• Existem várias junções metálicas para termopares:
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Termopares - III
• Para uso em meio agressivo termopares e outros
dispositivos de medição são condicionados em ”jaquetas”
de material resistente que os protegem (entretanto, isto
degrada a medição pela introdução de um material
intermediário).
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Termoresistor - I
• O principio de medição repousa no fato que a resistência elétrica de um
fio de metal puro varia proporcionalmente com a temperatura.
• Exemplo: fio de platina
R(T2 ) = R(T1 ) 1 + A(T2 − T1 ) + B(T2 − T1 )
2
∼
= R(T1 ) [1 + A(T2 − T1 )]
onde A (no caso do fio de platina, 0, 392 × 10−2 ) e B (0, 588 × 10−6 )
são coeficientes que dependem do material, T1 é uma temperatura
conhecida e T2 é a temperatura que se deseja medir.
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Termoresistor - II
• Forma de utilização: i = v/R, para v = cte, tem-se que ∆R ⇒ ∆i.
• Vantagens:
• alta precisão
• boa sensibilidade
• não necessita de junta de compensação fria.
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Termístores
• Termı́stores são óxidos metálicos (cobalto, níquel, manganês),
semicondutores, cuja resistência diminui quando a temperatura
aumenta.
• Os termístores também são chamados de ”Negative Temperature
Coefficient” ou NTC.
• Relação matemática
R(T2 ) = R(T1 ) 1 + A(∆T )(T2 − T1 )
sendo A(∆T ) é não linear (exponencial).
• Principais características: tamanho pequeno (resposta rápida), alto
coeficiente de temperatura, maior sensibilidade para quedas de
temperatura, não necessita de correção de junção, baixo custo, não
linear, pouca estabilidade para temperaturas elevadas.
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